2011년도 설계실무자료집 - 교량공

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5-5 교량 슬림화 및 최적화를 위한 교각 설계 개선방안 검토 설 계 처-1459

(2011. 6. 22)

I 추진배경

◦ 그간 고속도로 설계 시 시공능력, 품질관리, 재료의 불균일성 등

의 이유로 단면을 과다 설계하는 관행이 있었으나, 현재 우리

나라는 국가 경제 규모가 세계 15위로서 선진국 대열에 들어서면서

발주자, 설계자, 시공자 간의 신뢰 가능한 사회로 성숙되었고,

◦ 경제성을 우선 시하는 설계에서 저탄소 녹색성장 중심의 시대적

요구 변화에 따라,

◦ 고속도로 교량 교각의 기둥 단면 슬림화 및 최적화를 통해 경제성

외에 미관, CO2 저감 등을 종합적으로 고려한 친환경 고속도로

건설을 추진코자 함.

II 구조물 단면 축소관련 추진 경위

 

일 자	주요 내용	비 고
2000. 5. 22	․원형 교각 단면 적정성 검토 *단면력 효율이 80%(75~85%)가 되도록 설계 *2단철근 필요시 경제적인 단면 적용	설계이 13201-205
2005. 6. 30	․압축부재 축방향 철근량 설계기준 개선 *최소철근비 : 1%, 감소된 유효단면적은 총단면적의 1/2이상	기술심사실 -1043
2006. 12. 12	․중소지간 PSC I형 거더교량의 면진받침 적정성검토 *교고 20m이상시 면진받침 적용시 전체공사비 절감(약 11%) *교각(약 20m이상) 교량받침 설계시 면진받침과 탄성 받침의 경제성 및 안정성 등 비교·검토하여 적용	설계처 -3241
2008. 7. 23	․교량구조용 압연강재(HSB) 적용 검토 *HSB 500, HSB 600 설계적용	설계처 -1988
2009. 9. 8	․교각 단면효율 조정 *(당초)80%수준 (변경)단면효율을 최대한 활용	설계처 -4632
2009. 11. 30	․고강도 콘크리트(40MPa) 교각 설계적용 검토 *(당초) 27Mpa (변경) 40MPa	설계처 -5922
2010. 4. 14	․저탄소 녹색성장 기본법 시행 *국가 온실가스 감축목표 : 2020년까지 배출전망치 대비 30%감축)	환경부
2010. 7. 30	․압축부재의 최소 축방향 철근량 적용(안) *Kl/r 검토하는 경우 전체단면적에 대해 검토 감소된 유효단면적을 사용하여 최소철근량과 설계강도 결정	기술심사처 -1531

 

 

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III 적용실태

□ 기둥설계 관행

◦ φMn/Mu ≥ 1.1 이상으로 과다설계 다수

◦ 탄성설계 내에서 단면 결정하는 경향 다수

* 소성설계에 비해 단면 규격이 커짐

◦ 적용실태 분석(대상 : 부산외곽선 대상교각 107개소)

87%

13%

69%

31%

탄·소성 구분 탄성설계 구간 φMn/Mu 비율

*기둥 직경이 단주·다주에 따라 다양(단주:2.5~2.9m, 다주:1.8~2.5m)

◦ 콘크리트 단면 슬림화 한계

- 콘크리트 강도 상향에 따른 단면 감소효과 미미

 

 

 

구 분	당 초	변 경	비고
콘크리트 강도	27MPa	40MPa
단면 규격	2.7m	2.5m	△0.2m

◦ 단면축소를 위해 콘크리트 강도 상향시 수화열에 의한 온도

균열 제어로 인하여 콘크리트 강도 상향 제약

☞ 합리적인 기둥설계 방안 마련 필요

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□ 고장력 철근 적용 실태

◦ 현재 고속도로 교량은 SD400 철근까지 적용 중

- 거의 대부분 토목구조물에 SD400 적용

◦ 건축구조물에서는 SD500 이상 철근을 보편적으로 사용 중임

◦ 국내 적용 현황

 

구 분	주 요 내 용	비 고
건축분야	․콘크리트구조설계기준(1999년) 제정 이후 500MPa 보편적으로 사용 * 잠실 갤러리아팰리스, 마포오벨리스크 등 다수
토목분야	․부산~거제간 연결도로 * 거가대교 주탑, 슬라브, 침매터널 등 500MPa 철근 적용

 

 

※ 현재 고속도로 교량에서는 SD500급 고장력철근 미 적용

☞ 고장력철근 적용방안 검토 필요

□ 기둥 철근비

◦ 우리공사 설계기준『원형교각 단면 적정성 검토, 설계이 13201-205

(2000.05.22)』상 Con'c 단면 조정만으로 최적단면 도출

◦ 현 설계 관행은 경제성 고려하여 0.5 ~ 1.5% 내외 최소철근비 배근

☞ 부재 슬림화의 저해 요인 ⇒ 철근비 조정 필요

□ 기둥 형식

◦ 단주식 교각 선호

◦ 단주식 91개소(85%), 다주식 16개소(15%)

* 대상 : 부산외곽선 대상교각 107개소

☞ 부재 슬림화 저해 및 공사비 증가 요인

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IV 개선방안 검토

가. 기둥단면 결정 최적화

□ 기둥의 소성설계 유도

◦ 상시 고려 최적단면 유도 : φMn/Mu ≤ 1.1

◦ 최적단면으로 지진 고려 시

 

 

 

구 분	내 용
탄성영역 이내	상시 최적단면으로 결정
탄성영역 초과	상시 최적단면 + 소성설계(연성도 내진설계)

□ 기둥 슬림화 및 최적설계 흐름도

단면결정 기준 교각 그 외 교각

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나. 고장력 철근 적용

□ 관련 시방기준 및 연구 결과

* 도로교설계기준 4.2.3.2 강재의 설계강도 및 탄성계수(2010)

철근의 항복강도 fy는 500MPa 보다 더 큰값으로 설계할 수 없다.

* 다만, 전단철근 fy는 400MPa 보다 더 큰값으로 설계할 수 없다.

* 콘크리트구조설계기준 3.3.4 철근의 설계강도

철근의 기준 항복강도 fy는 5,500 kgf/cm2를 초과하지 않아야 한다.

* 한국콘크리트학회(콘크리트 구조물에 대한 고장력철근 적용성연구)

철근콘크리트보의 주철근에 SD600 철근을 사용하여도 큰 문제가 없음

□ 해외 설계기준

 

구 분	주요 내용	비고
유럽(Eurocode2)	․철근 항복강도 fyk = 400 ~ 600MPa
미국(ACI-318)	․철근 항복강도 fy = 60,000 psi(420MPa) 초과할 수 없다.

 

 

□ 적용사례 및 국내 생산업체 현황 검토

◦ 고장력철근(fy=500MPa) 국내 적용사례 다수

* 적용사례 : 잠실캘러리 아팰리스 등 다수(건축), 부산~거제간 연결도로

거가대교 주탑, 슬라브, 침매터널 등(토목) 500MPa 적용

◦ 고장력철근 및 커플러 국내 생산 가능

☞ 현행 설계기준 내에서 고장력철근(SD500) 사용가능

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□ 현장 적용성 검토

◦ 철근 가공조립 검토

- 기둥 및 기초 주철근은 내면반지름 128mm이상으로 가공하여 적용가능

* 기둥 및 기초철근은 대부분 D19 ~ D32 적용 다수

* 도로교설계기준 4.3.4.2 철근 구부리기(표 4.3.2)

180° 갈고리와 90° 갈고리의 구부리는 내면반지름은

 

 

 

철근의 지름	최소 내면반지름
D10 ~ D25	3db
D29 ~ D35	4db
D38이상	5db

※ D32의 경우 최소 내면반지름 4db = 128mm

기둥 주철근 기초 주철근

□ 적용부위 검토

 

 

 

구 분	적 용	세 부 내 용
기 둥	500 MPa	· 기초·기둥에서는 휨 또는 휨·압축에 지배되므로 주철근을 500MPa를 적용하고, 전단철근(띠철근)은 400MPa까지 적용   · 코핑에서는 대부분 전단에 지배되므로 일률적으로 400MPa 적용   * 전단철근에 고장력 철근 적용시 문제점 : 철근 배근간격 넓어져, 취성파괴 및 사인장 균열폭 확대 우려 ※ 고장력 전단철근의 전단내력 확보여부 검증 필요
기 초	500 MPa
코 핑	400 MPa

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다. 기둥 철근비 조정

□ 도로교 설계기준

<압축부재의 철근>

- 축방향철근 단면적은 기둥전체 단면적의 1 ~ 6%

- 유효단면적(최소 전체단면적의 1/2 이상) 1% 이상

<내진설계> 6.8.3.3

- 축방향철근 단면적은 기둥전체 단면적의 1 ~ 6%

□ 그 외 국내·외 설계기준

 

구 분	주요 내용	비고
콘크리트구조 설계기준(2007)	․전체단면적의 1% 이상 8%이하	유효단면적 적용
유럽(Eurocode 2)	․최소철근량은 다음 중 큰 값이상 - As,min = (0.10 NEd / fyd) 또는 0.002 AC * NEd : 설계축력, fyd : 철근의 설계항복강도
미국(ACI 2002)	․전체단면적의 1% 이상 8%이하	유효단면적 적용
AASHTO LRFD	․(AS·fy/Ag·f'c+Aps·fpu/Ag·f'c) ≥ 0.135 * 최대 8%이하

 

 

□ 기둥 철근비 개선방안 검토

◦ 철근비 조정에 따른 단면 비교(붙임 1 참조)

 

구 분	1안 (현설계)	2안 (철근비조정)	3안 (고강철근+철근비조정)	4안 (고강철근+철근비조정)
철 근 비	1.22%	2.58%	3.00%	2.62%
단 면 규 격	2.2m	1.7m	1.6m	1.5m

 

 

◦ 단면결정 기준 기둥 : 전체단면적의 2~3% 적용

◦ 그 외 기둥

 

구 분	적 용	비고
탄성설계 기둥	유효단면적의 1%이상	탄성영역 내에 내진 저항
소성설계 기둥	전체단면적의 1%이상	탄성영역 외(소성영역)에서 내진 저항

 

 

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라. 단주식 및 다주식 기둥 비교

□ 단주식을 다주식으로 변경시

◦ 교각 1기당 단면규격 0.5m, 콘크리트 약 16㎥, 철근 약 8ton

절감 및 교각 슬림화 가능

 

구 분		단주식	2주식		비고
			일체형 기초	분리형 기초
콘크리트 강도	기둥	40MPa	40MPa	40MPa
	기초	27MPa	27MPa	27MPa
철근 항복강도		500MPa	500MPa	500MPa
철 근 비		2.62%	2.93%	2.95%
단 면 규 격		1.5m	1.0m	1.0m	△0.5m
콘크리트량(㎥)		138.151	157.268	122.492	△15.659
철 근 량(ton)		22.419	16.862	14.881	△7.538
직접공사비(천원)		129,662	126,512	120,703	△8,959
CO2(ton)		100.26	93.87	77.20	△23.06

 

 

V 검토결론

□ 기둥단면 소성설계 유도를 통한 최적화

□ 고장력철근 적용

◦ 기둥·기초부 : 항복강도 fy = 500MPa 적용

◦ 코 핑 부 : 항복강도 fy = 400MPa 적용

※ 기둥․기초 전단철근(띠철근) : 항복강도 fy = 400MPa 이하

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□ 철근비 조정

◦ 단면결정 기준 기둥 : 철근비 전체단면적의 2~3% 적용

◦ 그 외 기둥

 

구 분	적 용	비고
탄성설계 기둥	유효단면적의 1%이상	탄성영역 내에서 내진 저항
소성설계 기둥	전체단면적의 1%이상	탄성영역 밖에서 내진 저항

 

 

□ 교각형식 다양화

◦ 설계 시 미관, 경제성, 하부공간 활용 등 종합적 검토 후 단주식

또는 다주식 결정

VI 기대효과

□ 상기 방침 적용시 단면규격, 경제성 등 검토

◦ 교각(H=9.8m) 적용시

 

구 분	현 설계	개 선		비고
		단주식	다주식
단면규격	2.2m	1.5m	1.0m
공사비(천원)	130,050	129,662	120,703
CO2(ton)	104.15	100.26	77.20

 

 

· 단주식(개선) : 교각 1기당 단면축소(0.7m), CO2 3.89ton 저감 및 공사비 약0.4백만원 절감

· 다주식(개선) : 교각 1기당 단면축소(1.2m), CO2 26.95ton 저감 및 공사비 약9백만원 절감

◦ 교각(H=20.0m) 적용시

 

구 분	현 설계	개 선		비고
		단주식	다주식
단면규격	2.5m	1.8m	1.3m
공사비(천원)	173,682	162,247	157,580
CO2(ton)	156.75	130.45	114.03

 

 

· 단주식(개선) : 교각 1기당 단면축소(0.7m), CO2 26.3ton 저감 및 공사비 약11백만원 절감

· 다주식(개선) : 교각 1기당 단면축소(1.2m), CO2 42.72ton 저감 및 공사비 약16백만원 절감

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□ 현재 실시설계중인 노선(함양∼울산 및 당진∼천안) 적용시(H=20.0m)

◦ 단주식(개선) 적용시

: CO2 29,193ton 저감 및 공사비 약 122억원 절감

◦ 다주식 기둥 적용시

: CO2 47,419ton 저감 및 공사비 약 178억원 절감

* 함양～울산(교각개수) : 974EA, 당진～천안(교각개수) : 136EA

VII 적용방안

◦ 설계중 노선 : 현재 설계중인 노선부터 적용

◦ 공사중인 노선 : 신규·변경 설계 교량에 적용·검토

붙 임 1. 교각 설계 비교·검토(H=9.8m)

2. 단주식 및 다주식 비교·검토(H=9.8m)

3. 고교각(H=20.0m) 기둥 비교·검토

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붙 임 #1

교각 설계 비교·검토

□ 단주식 기둥(고장력철근 및 철근비 조정) 비교 검토

 

구 분		1안 (현설계)	2안 (철근비조정)	3안 (고강철근+철근비조정)	4안 (고강철근+철근비조정)
콘 크 리 트 강 도	기둥	40MPa	40MPa	40MPa	40MPa
	기초	27MPa	27MPa	27MPa	27MPa
철 근 항 복 강 도	기둥	400MPa	400MPa	500MPa	500MPa
	기초	400MPa	400MPa	400MPa	500MPa
철 근 비		1.22%	2.58%	3.00%	2.62%
단 면 규 격		2.2m	1.7m	1.6m	1.5m
콘크리트량(㎥)		148.729	140.764	139.416	138.151
철 근 량(ton)		22.518	23.847	24.812	22.419
직접공사비(천원)		130,050	131,382	131,638	129,662
CO2(ton)		104.15	104.50	106.30	100.26

 

 

※ 함양~울산(974기) , 당진~천안(136기) 실시설계 적용 시 CO2

4,318ton 저감 및 공사비 약 6억원 절감

* 교각 1기당 적용 시 CO2 3.89ton 저감 및 388천원 절감

□ 단주식 및 다주식 기둥 비교

 

구 분		단주식	2주식		비고
			일체형 기초	분리형 기초
콘크리트 강도	기둥	40MPa	40MPa	40MPa
	기초	27MPa	27MPa	27MPa
철근 항복강도		500MPa	500MPa	500MPa
철 근 비		2.62%	2.93%	2.95%
단 면 규 격		1.5m	1.0m	1.0m
콘크리트량(㎥)		138.151	157.268	122.492
철 근 량(ton)		22.419	16.862	14.881
직접공사비(천원)		129,662	126,512	120,703
CO2(ton)		100.26	93.87	77.20

 

 

※ 함양~울산(974기) , 당진~천안(136기) 실시설계 적용 시 CO2

25,597ton 저감 및 공사비 약 139억원 절감

* 교각 1기당 적용 시 CO2 23.06ton 저감 및 8,959천원 절감

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